基于GIS的小流域坡长坡度因子提取研究

黎雅楠 张盼盼

摘要：指出了坡长坡度因子是影响土壤侵蚀的主要地形因子。通用土壤流失方程和修正的通用土壤流失方程已被广泛应用于流域尺度的土壤侵蚀评估中，地形对土壤侵蚀的影响用坡长坡度因子来表征，因此坡长坡度因子（LS）计算是区域土壤侵蚀评价的关键。以典型黄土丘陵沟壑区九龙泉沟小流域为例，基于GIS平台利用DEM数据时研究区LS因子进行了提取。并对计算结果进行了分析，同时对今后土壤侵蚀评估中提高坡长坡度因子LS精确度研究进行了讨论与展望。

关键词：DEM数据;坡长坡度因子;小流域

中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0027-03

1引言

土壤侵蚀是一种土地退化过程，对全球土壤资源和生态环境是一种严重的威胁。土壤侵蚀不仅导致土壤水分和养分流失，还造成沉积物沉积、洪涝干旱灾害以及水资源污染，降低土壤质量。同时土壤侵蚀影响生物多样性、碳储量、生态环境质量等，成为危及人类生存和限制人类发展的至关重要的环境问题。因此需要实时动态对土壤侵蚀做出准确合理的预报，并进行有效的防治与保护，定量评估区域土壤侵蚀是土壤资源保护、生态环境建设中的关键。

地形因子是影响土壤侵蚀和水土保持的主要地形参数，坡长坡度因子是影响土壤侵蚀的主要地形因子。通用土壤流失方程（USLE）和修正的通用土壤流失方程（RUSLE）是目前土壤侵蚀风险评估最常用的方法，已广泛应用于流域尺度土壤侵蚀评估研究。模型的主要输入层是降雨侵蚀力（R因子），土壤可蚀性（K因子），坡长坡度（LS因子），植被覆盖（C因子）以及水土保持措施（P因子），其中坡度坡长LS因子和植被覆盖C因子对造成土壤流失的影响最大[2]，因此继续提高坡度坡长因子LS的准确性尤为重要。S因子测量斜率陡度的影响，而L因子定义斜率的影响坡长，通过结合LS因子来描述地形对土壤侵蚀的影响。本研究通过梳理坡长坡度LS因子计算原理和方法，结合实例对陕西省延安市宝塔区九龙泉沟小流域坡长坡度LS因子进行提取，并对提取结果进行分析讨论。

2LS计算原理与方法

2.1LS计算原理

坡长坡度因子LS是坡长因子与坡度因子的乘积，由于坡度S因子计算方法比较成熟，因此坡长L因子的提取是坡度坡长因子提取的关键。流域地貌学中认为坡长是指斜坡在一定角度上最短的长度，同时也可以叫作地表线径流的长度。流域土壤侵蚀评价中所使用坡长是指地表某点上方径流汇集的长度，具体计算公式为（1）式。国内外利用DEM数据对小流域坡长计算研究颇多，Desmet等利用累计流量坡长计算法对坡长因子进行修正，通过坡长因子计算坡长;Hickey等认为坡长是指水流源点到水流尾部之间的水平距离，提出坡长直接计算法。汤国安利用山顶距离算法近似的计算坡长。目前学者们提取坡长使用最多的是Hickey的基于栅格DEM数据直接计算坡长的方法，该方法简便易行而且精度较高。

3.1研究区概况及数据来源

九龙泉沟小流域位于陕西省延安市宝塔区，宝塔区位于陕北南部，地处黄土高原沟壑区的延河中游，北依子长，南接甘泉、富县、宜川，东临延川、延长，西与安塞县相邻，地理坐标介于北纬36°1036"～37°0205"，东经109°1410"～110°0543"之间。

在流域和区域尺度上，坡长通常都是基于DEM（數字高程模型）来计算，Wu等研究得出30m DEM分辨率足以进行土壤侵蚀评估。本研究所使用的DEM数据来源于地理空间数据云ASTER GDEM V2数据，ASTER GDEM数据是NASA根据对地观测卫星Ter-ra所获取的地球表面观测数据制作完成的，数据覆盖全球99%的范围，采用UTM/WGS 84投影，空间分辨率为30m（图1）。

3.2LS因子提取过程

土壤侵蚀研究中要求DEM表面的水流只有一个汇聚点，通过模拟地表的水流路径来计算坡长。实际情况下对于刚获取的DEM数据都会有洼地存在，洼地是指某个栅格单元的高程低于相邻8个栅格单元的高程的情况，往往由于精度以及数据异常会产生假洼地，这种情况会降低河网生成的准确性，从而影响水的流动路径，使水流路径无法汇聚到一个出口。因此，进行坡度坡长因子提取之前首先要对研究区DEM数据进行洼地填充，在ArcGISl0.5中选取Hydrology模块中的Fill工具计算得到研究区无洼地的DEM数据;紧接着利用Flow Direction工具计算得到研究区流向数据图层Flow_Dire;最后利用Flow Accumulation工具通过流向数据计算得到研究区汇流累计图层，以便进行后续坡长坡度因子的计算。

4LS计算结果分析

研究区海拔高度在1086～1475m之间，平均海拔为1290m，平均坡度为18°。计算的坡度、坡长以及坡度坡长因子统计参数如表1所示。

坡度是最重要的地形因子之一，地表上某点的坡度是地形曲面函数在东西、南北方向上偏导数函数。基于GIS平台在利用DEM数据提取坡度的算法已经成熟，本研究利用D8算法提取坡度。如图2所示，研究区坡度按照水土保持的分级标准分成7类，分别为O～3°、3～8°、8～15°、15～25°、25～35°、35～45°、大于45°，研究区坡度最大值为59.24，最小值为0，平均值为18.00。

本文基于DEM数据，利用LS因子计算公式，提取出九龙泉沟小流域LS因子。从图3可以看出，研究区LS因子最大值38548.23，平均值为81.24。LS计算是利用USLE、RUSLE等坡面模型进行流域与区域土壤侵蚀评价与制图的基础，基于较高分辨率DEM，可以提取流域和区域尺度的LS专题层，从而为区域土壤侵蚀评价提供数据支撑。

5结论与讨论

坡度坡长因子LS是地形对土壤侵蚀影响最重要的影响因子，本文基于GIS平台，利用30m分辨率的DEM数据对延安市宝塔区九龙泉沟小流域坡度坡长因子LS进行提取，并对计算结果进行分析。

虽然本文所介绍LS算法在实践中被广泛应用，但考虑到土壤侵蚀评估中地形因子研究是一个基础性科学问题，而且坡度坡长因子Ls中的坡长因子目前计算方法虽多，但没有成熟的计算方法，在今后研究中需要进一步精确坡长因子L的计算，以期为区域土壤侵蚀模数精确计算提供理论基础。